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利用示波器進(jìn)行電源紋波分析及測試

作者: 時(shí)間:2011-12-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

一、什么叫紋波?

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/194623.htm

  紋波(ripple)的定義是指在直流電壓或電流中,疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量。

  它主要有以下害處:

  1.1.容易在用電器上產(chǎn)生諧波,而諧波會產(chǎn)生更多的危害;

  1.2.降低了電源的效率;

  1.3.較強(qiáng)的紋波會造成浪涌電壓或電流的產(chǎn)生,導(dǎo)致燒毀用電器;

  1.4.會干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系,影響其正常工作;

  1.5.會帶來噪音干擾,使圖像設(shè)備、音響設(shè)備不能正常工作

  二、紋波、紋波系數(shù)的表示方法

  可以用有效值或峰值來表示,或者用絕對量、相對量來表示;

  單位通常為:mV

  例如:

  一個電源工作在穩(wěn)壓狀態(tài),其輸出為12V5A,測得紋波的有效值為10mV, 這10mV就是紋波的絕對量,而相對量,即紋波系數(shù)=紋波電壓/輸出電壓=10mv/12V=0.12%。

  三、紋波的方法

  3.1.以20M帶寬為限制標(biāo)準(zhǔn),電壓設(shè)為PK-PK(也有測有效值的),去除控頭上的夾子與地線(因?yàn)檫@個本身的夾子與地線會形成環(huán)路,像一個天線接收雜訊,引入一些不必要的雜訊),使用接地環(huán)(不使用接地環(huán)也可以,不過要考慮其產(chǎn)生的誤差),在探頭上并聯(lián)一個10UF電解電容與一個0.1UF瓷片電容,用的探針直接進(jìn)行;如果示波器探頭不是直接接觸輸出點(diǎn),應(yīng)該用雙絞線,或者50Ω同軸電纜方式測量

  四、開關(guān)電源紋波的主要分類

  開關(guān)電源輸出紋波主要來源于五個方面:

  4.1.輸入低頻紋波;

  4.2.高頻紋波;

  4.3.寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲;

  4.4.功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲;

  4.5.閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲。

  五、電源紋波

  紋波是疊加在直流信號上的交流干擾信號,是電源測試中的一個很重要的標(biāo)準(zhǔn)。尤其是作特殊用途的電源,如激光器電源,紋波則是其致命要害之一。所以,電源紋波的測試就顯得極為重要。

  電源紋波的測量方法大致分為兩種:一種是電壓信號測量法;另一鐘是電流信號測量法。

  一般對于恒壓源或紋波性能要求不大的恒流源,都可以用電壓信號測量法。而對于紋波性能要求高的恒流源則最好用電流信號測量法。

  電壓信號測量紋波是指,用示波器測量疊加在直流電壓信號上的交流紋波電壓信號。對于恒壓源,測試可以直接用電壓探頭測量輸出到負(fù)載上的電壓信號。對于恒流源的測試,則一般是通過使用電壓探頭,測量采樣電阻兩端的電壓波形。整個測試過程中,示波器的設(shè)置是能否采樣到真實(shí)信號的關(guān)鍵。

  所用的儀器是:配有電壓測量探頭的TDS1012B示波器。

  測量之前需要進(jìn)行如下設(shè)置。

  1.通道設(shè)置:

  耦合:即通道耦合方式的選擇。紋波是疊加在直流信號上的交流信號,所以,我們要測試紋波信號就可以去掉直流信號,直接測量所疊加的交流信號就好。

  寬帶限制:關(guān)

  探頭:首先選用電壓探頭的方式。然后選擇探頭的衰減比例。必須與實(shí)際所用探頭的衰減比例保持一致,這樣從示波器所讀取數(shù)才是真實(shí)的數(shù)據(jù)。比如,所用電壓探頭放在×10檔,則此時(shí),這里的探頭的選項(xiàng)也必須設(shè)置為×10檔。

  2.觸發(fā)設(shè)置:

  類型:邊沿

  信源:實(shí)際所選擇的通道,如,準(zhǔn)備用CH1通道進(jìn)行測試,則此處就應(yīng)該選擇為CH1。

  斜率:上升。

  觸發(fā)方式:如果是在實(shí)時(shí)地觀察紋波信號,則選擇‘自動’觸發(fā)。示波器會自動跟隨實(shí)際所測信號的變化,并顯示。這個時(shí)候,你也可通過設(shè)置測量按鈕,實(shí)時(shí)地顯示你所需要的測量的數(shù)值。但是,如果你想要捕捉某次測量時(shí)的信號波形,則需要將觸發(fā)方式設(shè)置為‘正常’觸發(fā)。此時(shí),還需要設(shè)置觸發(fā)電平的大小。一般當(dāng)你知道你所測量的信號峰值時(shí),將觸發(fā)電平設(shè)置為所測信號峰值的1/3處。如果不知道,則觸發(fā)電平可以設(shè)置的稍微小一些。

  耦合:直流或交流…,一般用交流耦合。

  3.采樣長度(秒/格):

  采樣長度的設(shè)置決定能否采樣到所需要的數(shù)據(jù)。當(dāng)所設(shè)置的采樣長度過大時(shí),就會漏掉實(shí)際信號中的高頻成分;當(dāng)所設(shè)置的采樣長度過小時(shí),就只能看到所測實(shí)際信號的局部,同樣無法得到真實(shí)的實(shí)際信號。所以,在實(shí)際測量時(shí),需來回旋轉(zhuǎn)按鈕,仔細(xì)觀察,直到所顯示波形是真實(shí)的完整的波形。

  4.采樣方式:

  可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定。如,要求測量紋波的P-P值,則最好選擇峰值測量法。采樣次數(shù)也可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定,這與采樣頻率及采樣長度有關(guān)。

  5.測量:

  通過選擇對應(yīng)通道的峰值測量,示波器就可以幫你把所需要的數(shù)據(jù)及時(shí)顯示出來。同時(shí)也可以選擇對應(yīng)通道的頻率、最大值、均方根值等。

  通過對示波器進(jìn)行合理設(shè)置和規(guī)范的操作,一定可以得到所需的紋波信號。但是,在測量過程中一定要注意防止其它信號對于示波器探頭自身的干擾,以免所測量的信號不夠真實(shí)。

  通過電流信號測量法測量紋波值是指,測量疊加在直流電流信號上的交流紋波電流信號。對于紋波指標(biāo)要求比較高的恒流源,即要求紋波比較小的恒流源,采用電流信號直接測量法可以得到更加真實(shí)紋波信號。與電壓測量法不同的是,這里還用到了電流探頭。比如,繼續(xù)用上述的示波器,再加一個電流放大器和一個電流探頭。此時(shí),只需用電流探頭夾住輸出到負(fù)載的電流信號,就可以進(jìn)行電流測量法來測量輸出電流的紋波信號了。與電壓測量法一樣,整個測試過程中,示波器及電流放大器的設(shè)置是能否采樣到真實(shí)信號的關(guān)鍵。

  其實(shí),用這種方法測量時(shí),示波器的基本設(shè)置及用法與上述相同。不同的是,通道設(shè)置中探頭的設(shè)置有所不同。在這里,需要選則電流探頭的方式。然后,選擇探頭的比例,必須與放大器所設(shè)置的這個比例相同,這樣從示波器所讀取數(shù)才是真實(shí)的數(shù)據(jù)。比如,所用放大器的這個比例設(shè)置為5A/V,則此時(shí)示波器的這一項(xiàng)也需設(shè)置為5A/V。至于電流放大器的耦合方式,當(dāng)示波器的通道耦合已經(jīng)選擇為交流耦合時(shí),則這里選擇交流或直流都可以。

  需要注意的是,用這種方法時(shí),需先打開示波器,然后再打開電流放大器。且,記得在使用前對電流探頭先消磁。

  另外,測量電源紋波本身有一定技巧性。圖1給出了一個不當(dāng)使用示波器測量電源紋波的實(shí)例。在這個例子中出現(xiàn)了幾個錯誤,首先是使用了接地線很長的示波器探針;其二是讓由探針和接地線形成的回路靠近功率變壓器和開關(guān)元件;最后是允許在示波器探針和輸出電容之間形成額外的電感。其結(jié)果帶來的問題是在測得的紋波波形中攜帶了拾取的高頻成分。

  在電源中有許多很容易耦合到探針中的高速的、大電壓和電流信號波形,其中包括來自功率變壓器的磁場耦合、來自開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電場耦合、以及由變壓器交繞(interwinding)電容產(chǎn)生的共模電流。

  

  圖1:不當(dāng)?shù)募y波測量得到糟糕的結(jié)果。

  采用正確的測量技術(shù)可切實(shí)改善紋波測量的結(jié)果。首先,通常會規(guī)定紋波的帶寬上限,以避免拾取超出紋波帶寬上限的高頻噪聲,應(yīng)該給用于測量的示波器設(shè)定合適的帶寬上限。其次,可以通過摘掉探針的“帽子”來去掉接地長引線形成的天線。如圖2所示,我們把一段短線繞在探針接地引線周圍,并使之與電源地相連接。這樣做附帶的好處是縮短暴露在電源附近高強(qiáng)度電磁輻射中的探針長度,從而進(jìn)一步減少高頻拾取。

  最后,在隔離電源中,真正的共模電流是由在探針接地引線中流動的電流產(chǎn)生的,這就使得在電源地和示波器地之間產(chǎn)生電壓降,表現(xiàn)為紋波。要抑制這個紋波,需要在電源設(shè)計(jì)中仔細(xì)考慮共模濾波問題。

  此外,把把示波器引線繞在鐵芯上可減小這個電流,因?yàn)檫@樣會形成一個不影響差分電壓測量、但可降低由共模電流產(chǎn)生的測量誤差的共模電感。圖2顯示了采用改進(jìn)測量技術(shù)對同一電路得到的紋波電壓測量結(jié)果??梢钥吹剑哳l尖刺已幾乎消除。

  

  圖2:四種簡單改進(jìn)極大地改善了測量結(jié)果。

  事實(shí)上,當(dāng)電源集成到系統(tǒng)中之后,電源紋波性能甚至?xí)?。在電源和系統(tǒng)其它部分之間幾乎總會存在一定量的電感。電感可能是由導(dǎo)線或在印刷線路板上的蝕刻線形成的,而在芯片附近總會有作為電源負(fù)載的附加旁路電容,這兩者形成低通濾波效應(yīng)并進(jìn)一步降低電源紋波和/或高頻噪聲。

  舉一個極端的例子,由電感量為15nH的長一英寸的短線和電容量10μF的旁路電容構(gòu)成的濾波器,其截止頻率為400kHz。該實(shí)例意味著能大幅減少高頻噪聲。該濾波器的截止頻率比電源紋波頻率低很多倍,可以切實(shí)降低紋波。聰明的工程師應(yīng)該在測試過程中設(shè)法利用它。



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